基于台达PLC和HMI的换热站系统设计

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换热站是供热系统中的重要组成部分,本文以东北某小区换热站为例介绍了换热站监控系统的组成、功能及实现方法。本案例采用的控制系统为台达PLC,以此结合触摸屏进行现场数据采集。远程上位机使用组态王软件进行搭建,通过换热站与控制室之间的以太网通讯连接,实时监控供热工况,并根据现场情况及时调节换热站参数,提高换热站的自动化程度,降低运行成本,增强可靠性。

传统换热站大多采用人工监控,一方面浪费人力,另一方面在出现事故隐患时操作人员难以发现,易造成热力失衡,影响供热效果,还会造成能源的极大浪费。如在换热站中引入PLC、触摸屏及上位监控系统等自控设备,可对现场设备实时监测和控制,不仅大大提高了工作效率,降低了故障发生率,还使控制过程更加直观、调节和控制更加方便。

1 换热站

换热站自控系统按设备类型分,可分为温度及压力变送器、流量计电动调节阀、循环泵及补水泵;按控制回路分,则可分为一次管网流量控制回路和二次管网控制回路。

1.1 一次管网回路控制

换热站的一次管网回路控制,主要是热负荷控制。通过控制调节一次管网回路上的电动调节阀,来调节流过换热站的一次管网热水的流量,从而实现对二次管网出水温度的控制。

1.2 二次管网循环泵控制

换热站系统二次管网循环泵是通过变频器来调节控制的。一般循环泵采用供回水温差结合供回水压差的控制方式。控制系统根据实际情况,设定一个供回水压差目标值以满足二次管网的供暖水循环。在此基础上,PLC系统通过测量供回水温差来对循环泵进行修正。当二次管网供回水温差偏大时,则提高循环泵转速,加大二次网的流量,提高二次管网的回水温度,以改善供热效果;当二次管网供回水温差过小时,需适当降低循环泵转速,减小二次管网的流量,实现小流量大温差的运行模式。这种循环泵的控制方式可以起到节约电能及热能的效果。

1.3 二次管网定压补水控制

二次管网的补水控制采用的是定压控制。当系统失水时,二次管网压力下降,系统会通过变频器控制补水泵以一定的转速进行补水,补水泵的转速根据当前压力与目标压力的差值均匀调速,从而避免补水泵在启动和停止时对二次管网系统的冲击。

2 系统设计

该东北小区换热站以就地控制为核心,将现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的起停状态等信号传输到控制器,由其进行采集和控制,再通过以太网通讯的方式,与上位机保持实时连接。

2.1 现场仪表和执行机构

换热站仪表和执行机构清单如表1所示。

表1 仪表和执行机构清单

 

2.2 硬件构成

针对东北某小区换热站现场控制需求,台达PLC及触摸屏产品列表如表2。

表2 PLC及触摸屏产品列表

 

2.3 PLC可编程控制器

系统方案中主机CPU采用台达第二代PLC-DVP12SA2,该款PLC具有16k程序容量,自带3个串行通讯口(1个RS232,2个RS485),最大扩展数字量为480点,右侧可扩展8个特殊模块(包括AD、DA、PT、TC等),并且支持左侧高速扩展,可连接以太网模块及现场总线模块;同时,SA2提供丰富的应用指令(包括PID手自动无扰切换、气候补偿曲线等)。

其中,12SA2是控制系统的核心,在换热站中其完成的主要功能如下:

(1) 采集温度、压力、流量、液位、调节阀开度及变频器反鐀等仿真信号,并将其转换为数字信号,送至触摸屏及上位端;

(2) 根据二次网供水温度和室外温度通过调节阀调节一次网供水流量,保证采暖效果;

(3) 根据二次网回水压力调节补水泵电机转速,从而稳定管网压力;

(4) 根据二次网供回水压差控制循环泵,维持压差稳定;

(5) 当供水压力超过规定值时,打开泄压电磁阀泄压;

(6) 做相关报警功能,当水箱水位高于或低于上下限时,发出报警。

PLC部分程序如图1所示:

 

PID手自动无扰切换:SA2系列PID指令支持手自动无扰切换功能,使热网运行更加稳定。当PID指令由自动模式切换到手动模式时(PID控制方式为K8),PID自动输出将停止运算,此时以手动输出值为准;当控制模式由手动切回自动时,PID指令会自动将前一个输出值接续控制下去(不重新做累积积分)。PID手自动无扰切换部分程序如图2:

 

图2 PID手自动无扰切换程序

气候补偿曲线功能:在热网行业中,如能让控制温度根据室外温度进行相应的改变,将有利于供热量的调节,从而实现节能。台达公司根据热网行业而专门开发的气候补偿曲线DTM指令满足了上述需求。编程者在设置完室外温度与控制温度数组(最多50组)后,DTM指令会根据室外实际温度值自动调整控制温度值。
 

图3为气候补偿曲线示意图。其中,横轴为室外温度,纵轴为控制温度。
 

图4为东北某小区PLC气候补偿曲线程序。

 

图3 气候补偿曲线示意图

 

图4 气候补偿曲线程序

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